如果您需要對按鈕、光電開關、旋轉變壓器、壓力、化學或其他傳感器進行實時采樣，您應該以多快的速度對輸入進行采樣？每 10 毫秒？每 30 毫秒？您怎么知道惠的價格是多少？在之前的一篇文章（“如何選擇合理的采樣率”，2002 年 7 月，第 20 頁）中，我講述了我與一位工程師的對話。我問他的特定應用的采樣率是多少。

　　他的回答是“5毫秒”。

　　“為什么？” 我問。

　　“因為它有效，”他說。“我們花了幾天時間測試各種采樣率，這就是有效的。”

　　在另一個應用中，規范列出了僅根據其在類似應用中的使用而制定的采樣率。將此值包含在規范中，給系統設計者帶來了任何靈活性。如果該速率實際上不是該應用程序的采樣率怎么辦？如果新軟件似乎可以在指定的采樣率下工作，那么該采樣率將在應用程序的生命周期內保持固定，并且該值永遠不會受到質疑。只有當采樣軟件不起作用時，采樣率才會受到質疑。

　　在我之前的文章中，我解釋了一種科學地確定數字輸入采樣率的方法。在本文中，我將回顧這些信息并討論它如何應用于模擬傳感器。

　　選擇多個

　　選擇采樣率的臨時方法會帶來幾個問題。

　　首先，不應該花費數天的試錯測試來確定給定應用程序的正確采樣率。相反，對當前的應用和問題進行系統工程分析只需進行幾次實驗就可以得出正確的答案。

　　其次，“”的定義是什么？一個應用程序的答案不一定是另一應用程序的答案。通常，使用試錯法來確定采樣率，并且測試是在僅包含傳感器采樣代碼（而不是整個應用程序）的系統上執行的。還記得對我的問題回答“5ms”的工程師嗎？他的代碼是為需要一些去抖的按鈕開關創建的。通過測試，他終選擇了 5 毫秒的輪詢時間，因為它似乎不會將單次推送錯誤地記錄為兩次，并且速度足夠快，不會將故意的兩次推送誤解為彈跳。

　　實際上，5 毫秒的輪詢時間對于該系統來說可能是可以接受的，但如果不考慮其他因素（特別是系統的實時響應），很難說這是否是答案。

　　例如，如果處理器過載并且 5ms 采樣使用了 CPU 容量的 40%，該怎么辦？將采樣間隔增加到 10 毫秒將使 CPU 利用率減半。另一種選擇可能是以一半的速度執行控制代碼。從系統的角度來看，哪個更好？或者更重要的是，用于采樣的資源、采樣對處理器使用的影響以及實時可調度性和優先級反轉等其他因素之間是否存在良好的折衷？

　　選擇采樣率時，通常有幾個相互競爭的目標，例如：

　　盡可能快地采樣以獲得的準確性。

　　盡可能慢地采樣以節省處理器時間。

　　采樣速度足夠慢，噪聲不會在輸入信號中占主導地位。

　　采樣速度足夠快以提供足夠的響應時間。

　　以控制算法頻率的倍數進行采樣，以限度地減少抖動。

　　事實上，通常沒有適用于所有系統的答案，但當考慮特定應用程序和目標硬件的特殊性時，通常有一個答案比大多數其他答案都更好。在本文中，我將展示如何系統地識別一個解決方案。通過實驗和數學分析相結合，確定一組良好的采樣率，并討論如何根據應用程序的實時要求從該組中選擇正確的值。以下是確定采樣率的系統方法：

　　測量應用的傳感器特性。

　　如果輸入中存在噪聲，請選擇用于過濾數據的算法。

　　僅根據函數計算采樣率的下限和上限。

　　確定使用下限利率和上限利率之間的權衡。

　　優先考慮權衡，以確定計算的下限和上限之間的合適采樣率。

　　該方法將實驗測量與對應用需求的分析理解相結合，以便設計出良好的解決方案。雖然該方法可用于大多數類型的傳感器，但在本文中我們僅關注模擬輸入。

　　模擬輸入

　　模擬輸入通過模數轉換器 （ADC） 向處理器提供數據。采樣率是指從 ADC 讀取數據并將其傳遞到使用該數據的其他應用程序組件的次數。采樣率直接影響輸入信號的時間分辨率，就像 ADC 中的分辨率位數影響空間分辨率一樣。

　　誤差是采樣率的函數。我們將誤差 ε（ t ） 定義為實際傳感器值與控制算法在任何時間使用的值t 之間的差值。 請注意，t 是連續的，因此隨著采樣率T s 的增加，輸入值恒定，誤差通常會增加。如圖 1 所示。

　　圖 1：模擬信號采樣產生的誤差示例 ε（ t ）=|y-Ksin（ω t ）|

　　在信號處理中，奈奎斯特準則用于確定采樣率。具體來說，奈奎斯特準則規定采樣率必須至少是輸入信號中頻率分量的兩倍。給定這樣的采樣率，就可以重建原始輸入信號。

　　不幸的是，在讀取模擬傳感器時，奈奎斯特準則不能用于大多數嵌入式控制應用。重建原始信號需要強大的計算能力；因此需要數字信號處理器。另一方面，在嵌入式控制系統中，模擬輸入不需要重構。相反，輸入通常用于提供感覺輸入作為反饋控制的基礎。因此，只需要的數據。因此，問題是該數據必須有多“新”才能將誤差保持在應用程序指定的范圍內。